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Metodología para el
dimensionamiento y la selección
del Interruptor de Potencia
para Generadores (GCB) usando etap
Rafael Franco Manrique,
Ingeniero Líder de Ventas y
Soporte Técnico Software etap
César Augusto Ramos
Ingeniero Auxiliar de Estudios
en Sistemas de Potencia etap
PTI S.A
Metodología para el dimensionamiento y la selección
del Interruptor de Potencia para Generadores (GCB) usando etap
E
l propósito de este artículo es presentar una metodología para el dimensionamiento y selección de un interruptor de potencia usado para protección de generadores
(GCB); Para tal fin, se usa como caso de estudio el ejemplo
incluido en el Anexo A de la IEEE C37.13 -1997 simulado en
el software etap y se utiliza el módulo de IEC para ilustrar el
comportamiento de las corrientes para los escenarios estudiados y seleccionar la corriente de interrupción apropiada
para el GCB. La metodología incluye la evaluación de dos escenarios de cortocircuito para el sistema, luego se presentan
los resultados y las gráficas de corrientes IEC para registrar
los aportes del sistema y del generador a la falla. Finalmente, se concluye sobre los resultados obtenidos mostrando la
importancia de la apropiada selección del GCB de acuerdo
a las normas mencionadas haciendo uso del software etap.
The purpose of this article is present a methodology for the
Sizing and Selection of a Generator Circuit Breaker, used
specifically for Generator Protection; for that matter, as a
study case, we use the example included in the Annex A of
the standard IEEE C37.13 -1997 simulated on the etap software and is used the IEC 61363 to illustrate the currents
behavior for the studied scenarios to select the appropriate
breaking current for the GCB. The methodology includes the
assessment of two short-circuit scenarios, then the results
are shown and the IEC current plots to register the system
and generator fault contributions. Finally, it is concluded
about the obtained results, showing the importance of the
appropriate selection of the GCB according to the mentioned standards using etap software.
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Ing. Rafael Franco Manrique,
Ingeniero Líder de Ventas y
Soporte Técnico Software etap
Ing. César Augusto Ramos
Ingeniero Auxiliar de Estudios en
Sistemas de Potencia etap
PTI S.A
Palabras Clave
GCB, Dimensionamiento,
Selección, IEEE C37.13,
IEC 61363, etap
Keywords
CB, Sizing,
Selection, IEEE C37.13,
IEC 61363, etap
I. GLOSARIO
Interruptores de Potencia de Generadores
(GCB): Los interruptores que son conectados entre
un generador de gran potencia (100 MVA hasta 1800
MVA) y transformador elevador.
Duty (capacidad de interrupción): El trabajo o la
operación de interrupción para un equipo o dispositivo durante la condición de cortocircuito.
Para terminar, en este artículo se presenta la metodología para el dimensionamiento de los GCB usando la simulación de cortocircuito del ejemplo Anexo
A IEEE C37.13-1997 del software etap, mostrando
como se calculan los parámetros del interruptor de
potencia a partir del estado y los datos del sistema,
concluyendo sobre la viabilidad de utilizar el software etap para este proceso.
III. METODOLOGÍA
II. INTRODUCCIÓN
La importancia en el dimensionamiento y la selección
de un interruptor de potencia para generador (GCB)
adecuado, radica en las condiciones particulares de
generación, dado que las características y capacidad
de interrupción tienen que garantizar ser óptimas
para el funcionamiento del sistema de potencia.
La norma IEEE C37.13-1997 establece los requerimientos para el interruptor de potencia de AC para
generadores, con base en una corriente simétrica,
aplicada directamente en los terminales de salida del
generador. Los requerimientos de uso y dimensionamiento de estos interruptores no están cubiertos de
manera adecuada por otras normas, por lo que se
hizo necesaria esta reglamentación [1]. Además, la
norma IEC 61363-1 establece los cálculos numéricos
para encontrar la ecuación de la forma de onda de
cortocircuito para interruptores de potencia de uso
general, dado que en IEC no existe una norma específica para los GCB.
En los últimos años se han realizado varios estudios,
enfocándose en la importancia de este tema para la
confiabilidad de los sistemas de potencia. En un estudio realizado por Chanda et al. [2], se discute acerca de la selección de un GCB en casos donde la falla
simétrica, cercana a los terminales de grandes generadores, presenta un alto grado de asimetría. Por
su parte, Dartwan et al. [3] con el objetivo de evaluar
el Duty (capacidad de interrupción) de cortocircuito
de un GCB usando las normas IEEE e IEC, proporciona comparaciones entre los cálculos realizados
para dimensionar un interruptor de uso general y un
GCB, tomando como caso de estudio un sistema de
ciclo combinado con dos generadores. Sin embargo,
dichos cálculos son realizados de forma teórica.
La metodología para el adecuado dimensionamiento
y selección del GCB se presenta a continuación:
A. Planteamiento del Problema
En los sistemas de potencia las capacidades y características de interrupción del GCB son determinadas
por las corrientes de cortocircuito que están asociadas a las contribuciones del sistema y del generador
respectivamente.
Generalmente, las corrientes de falla que son alimentadas por el sistema ver Figura 1 a), típicamente
son de magnitud mayor que las alimentadas por el
generador en la mayoría de los casos [2], pero las
corrientes de fallas del generador pueden presentar
un mayor grado de asimetría (mayor componente de
DC), ver Figura 1 b) [3].
Figura 1. Contribuciones de Cortocircuito: a) Lado Sistema y del
b) Lado Generador tomado del Anexo A1 IEEE C37.013-1997
Existe la probabilidad de seleccionar un GCB dimensionado con capacidades conservativas o también
se puede seleccionar un GCB con características
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constructivas inferiores. Como se puede inferir, ninguna de las dos filosofías de dimensionamiento es
deseable en un proyecto o instalación que requiera
un GCB.
Hay pocos fabricantes de interruptores para generador, y por esta razón, los modelos disponibles son
limitados. Para determinar el tipo de GCB requerido
por el sistema de potencia de Alta o Media Tensión
en particular, es necesario realizar una evaluación de
las capacidades y características adecuadas siguiendo los lineamientos de la IEEE C37.013 [2] [3].
Resumiendo lo anterior, el interruptor de potencia
del generador (GCB), es el elemento de protección
principal de una planta de generación de energía
eléctrica. Su importancia radica, en que tiene como
función proteger componentes críticos para el sistema como generadores y transformadores, siendo
así, un factor clave para garantizar la confiabilidad y
la estabilidad del sistema.
Por medio del ejemplo que se encuentra en el Anexo
A1 de la norma IEEE C37.013-1997 [1], realizamos la
evaluación de las condiciones y requerimientos de la
norma que nos permiten dimensionar correctamente un GCB simulando dicho sistema en el software
etap.
B. Diagrama Unifilar
Se muestra el diagrama unifilar del sistema SC-Example- ANSI-3 empleado como caso de estudio en la
Figura 1.
Fígura 3. Propiedades del GCB en el software etap
Se efectúa la asociación del Gen CB insertado al
Gen1, como muestra la Fígura 3, dado que así etap
utilizará la IEEE C37.013-1997 [1] para efectuar la
evaluación de cortocircuito y no será evaluado como
un interruptor de potencia para uso general (HVCB).
Además cabe anotar que el GCB requiere estar localizado en el sitio adecuado del sistema, entre las
etapas de generación y transformación, para que el
software lo evalúe según la norma mencionada.
D. Simulación de Cortocircuito
Para encontrar las corrientes totales de cortocircuito
simétrico (trifásico) para los dos escenarios de carga
estudiados, se realiza la evaluación de cortocircuito
para el sistema estudiado con las condiciones descritas a continuación.
Figura 2. Ejemplo de GCB en el software etap
C. Modelado del GCB
Para efectuar el modelado del GCB, insertamos el elemento Gen CB en el diagrama unifilar en etap, como
se muestra la Figura 2. Ingresamos al cuadro de
diálogo para modificar las propiedades del elemento como se muestra a continuación en la Fígura 3.
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Figura 4. Simulación de Cortocircuito – Aporte del Sistema a la
Corriente de Falla
Usando el módulo de IEC 61363 de cortocircuito en
etap, se obtiene la gráfica de corriente total como
muestra la Figura 5.
E. Resultados
Se presentan los resultados de simulación de cortocircuito para el sistema estudiado.
TABLA I. Falla Simétricas según IEC 61363 Obtenidas en las Barras A1 y B1
Figura 5. Corriente Total de Falla Simétrica – Lado Sistema
Segundo, se analizan los aportes del generador al
cortocircuito en vacío, ubicando una falla simétrica
en la Barra A1 como muestra la Figura 6.
Se observa que el escenario crítico se presenta
cuando se evalúan los aportes del sistema a la falla, tal como se había podido esperar. Por lo que se
selecciona la corriente simétrica de falla que incluye
las contribuciones del lado del sistema para el dimensionamiento del GCB.
Según el tipo de carga conectada, se muestran los
datos del factor de potencia entregado, de acuerdo
a la siguiente estimación presentada por el software:
Figura 6. Simulación de Cortocircuito - Aporte del Generador a
la corriente de Falla
Por medio de la simulación con el módulo de IEC
61363 de cortocircuito, en la Figura 7 se muestra la
gráfica de corriente total obtenida.
Figura 7. Corriente Total para Falla Simétrica – Lado Generador
TABLA II. Corriente de Cortocircuito Instantánea (1/2 ciclo) del
GCB para diferentes FP según los escenarios simulados
En el caso de una carga con un factor de potencia
en atraso (inductiva), para el caso del generador del
lado del sistema, el voltaje interno del generador será
mayor por lo que se presentará una sobretensión y
la corriente de falla tendrá un valor adicional el cual
depende de la FLA del generador incrementada por
la baja impedancia del generador. De manera inversa ocurre para una carga en adelanto (capacitiva), se
presentará un aporte de cortocircuito mayor debido
a que en este caso el generador estará consumiendo
reactivos para suplir la carga y se presenta una subtensión en la barra y el voltaje interno del generador
será menor.
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F. Conclusiones
• El software etap nos sirve como herramienta para
calcular la corriente mínima de cortocircuito para el
dimensionamiento del duty de un GCB. En todas las
aplicaciones prácticas, la contribución al cortocircuito del sistema es mayor que la contribución del generador, por esta razón la corriente de cortocircuito
proveniente del generador es usada para verificar la
clase del interruptor GCB.
• La norma IEEE C37.013-1997 no especifica un método para calcular la relación X/R; la cual es necesaria para calcular las corrientes pico y asimétricas de
la corriente simétrica. En el software etap se utiliza
el equivalente X/R de todo el sistema para calcular
las corrientes de acuerdo con la IEEE C37.010-1979,
obteniendo resultados conservativos.
• Un interruptor de potencia para generador (GCB),
posee una característica diferente de componente
DC para la capacidad asimétrica de interrupción en
comparación a un HVCB. Para un GCB, la constante
de tiempo para el decaimiento de la componente de
dc es igual a 133 ms mientras que para un HVCB común es de 45 ms. Esto debido a la que se considera
un valor de X/R de 50, el cual es considerado como
conservativo, para efectuar los cálculos según la sección 4.9.2.2 de la IEEE C37.013 – 1997 [1].
• El análisis del Duty (capacidad de interrupción) de
cortocircuito nos permite analizar cómo se comportará el GCB con respecto a distintos FP, con el objetivo de evaluar el peor escenario para nuestro sistema
para diferentes tipos de carga.
• El estudio de cortocircuito para GCB en el software
etap, nos permite dimensionar, seleccionar y ajustar
correctamente el interruptor para protección del generador. Un dimensionamiento inadecuado, sin tener
en cuenta estas consideraciones, puede significar
un sobrecosto, pues tocaría cambiar el GCB además,
de otros costos más, significativos asociados al lucro cesante en el posible caso que el interruptor no
accione debido a su inapropiada selección u ajuste y
gastos de mantenimiento para hacer el cambio.
IV. REFERENCIAS
[1] «IEEE Standard for AC High-Voltage Generator Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current
Basis, IEEE Standard C37.013 - 1997».
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[2]
K. Chanda, R. Parthasarathi y S. Holla, «Estimation of short circuit capability of Generator Circuit
Breaker for a generator fed fault,» de Transmission
and Distribution Conference and Exposition: Latin
America, 2008 IEEE/PES, Bogota, 13-15 Aug. 2008.
[3] C. S. P. Ketut Dartawan, «Evaluating Generator Breakers Short-circuit Duty using IEEE Std.
C37.010 and C37.013,» Industry Applications, IEEE
Transactions on, vol. 50, nº 6, pp. 4164-4170, 2014.
[4] S. Kaplan, Wiley Electrical and Electronics
Engineering Dictionary,
Wiley-IEEE Press, 2004.
V. RESEÑA AUTORES
Ing. Rafael Franco Manrique, Esp. Nació en Cali,
Valle del Cauca, Colombia en 1982. Recibió el título
de Tecnólogo en Electrónica de la Universidad del
Valle, Palmira, Colombia en 2004 y los títulos de Ingeniero Electricista y Especialista en Ingeniería de la
Universidad del Valle, Santiago de Cali, Colombia en
2009 y 2012 respectivamente. Se desempeñó como
auxiliar de pruebas en el laboratorio de Alta Tensión
Gralta, por algunos años y también como profesor
Hora Cátedra en la Escuela de Electrónica de la Universidad del Valle, vinculado a un proyecto para Ecopetrol – Villavicencio “Análisis de Confiabilidad” antes
de vincularse a PTI S.A. actualmente se desempeña
como Ingeniero Líder de Ventas y Soporte Técnico
etap - Proyectos y Consultoría para Colombia y parte
de Latinoamérica (Bolivia y Panamá) en el software
etap.
Ing. César Augusto Ramos. Nació en Palmira, Valle del Cauca Colombia en 1988. Recibió el título de
Técnico Profesional en Mantenimiento Electrónico
en 2007 y el título de Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle en 2013. Se desempeñó como monitor de investigación en el grupo de investigación
Conversión de Energía Eléctrica, CONVERGIA y auxiliar en el área de Obras Eléctricas durante los últimos
semestres en la Universidad del Valle, trabajó como
Residente Auxiliar de Ingeniería en la constructora
INACAR S.A. por algún tiempo antes de vincularse a
PTI S.A. actualmente se desempeña como Ingeniero
Auxiliar de Estudios en Sistemas de Potencia en el
software etap.